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1、第2章开关磁阻电机及其驱动 控制系统 (SRD),2.1 SRM 传动系统 2.2 SRM 基本方程与性能分析 2.3 SRD的 控制原理 2.4 SRD 的功率变换器 2.5 SRD 传动系统的反馈信号检测 2.6 SRD 控制系统原理及其实现 2.7 基于单片机的SRD控制系统 2.8 基于DSP的SRD控制系统 2.9 开关磁阻发电机,2.1 SRD传动系统,2.1.1 SRD传动系统的组成,SR电动机定、转子实际结构,SR电机结构与原理,结构特点： 1、双凸极结构 2、定子集中绕阻、绕组为单方向通电 3、转子无绕阻,2.1.2 运行原理：磁阻最小原理,电机原理演示,磁通总要沿着磁阻最小
2、路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合,A-A 通电 1-1 与A-A重合 B-B 通电 2-2 与B-B重合 C-C 通电 3-3 与C-C重合 D-D 通电 1-1 与D-D重合,依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转,12/8 极三相开关磁阻电动机,以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强 当某一相通电时，磁极极尖处磁场强,1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向 2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr 3、步距角 qb=tr/m=360/(mNr)
3、4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。 5、需要根据定、转子相对位置投励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。,结 论：,2.1.3 开关磁阻电动机的相数与结构,相数与级数关系,1、为了避免单边磁拉力，径向必须对称，所以双凸极的定子和转子齿槽数应为偶数。,2、定子和转子齿槽数不相等，但应尽量接近。因为当定子和转子齿槽数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。,SR电动机常用的相数与极数组合,相数 3 4 5 6 7 8 9 定子极数 6 8 10 12 14 16 18 转子极数 4 6 8 10 12 14 16 步进角(度
4、) 30 15 9 6 4.28 3.21 2.5,SR电机常用方案,相数与转矩、性能关系： 相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，故常用三相、四相，还有人在研究两相、单相SRM 低于三相的SRM 没有自起动能力,外转子单相SR电动机,利用永磁体辅助起动的单相SR电动机,（1） 2-phase 4 stator pole/2 rotor pole,（2） 4-phase 8 stator pole/6 rotor pole,（3） 3-phase 6 stator pole/4 rotor pole,（4） 5-phase 10 stator pole/8 rotor pole,2.1.4 SR
5、D特点,1)电动机结构简单、成本低、适用于高速, 开关磁阻电动机的结构比通常认为最简单的鼠笼式感应电动机还要简单。 2)功率电路简单可靠 因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。,SRD特点：,3)各相独立工作，可构成极高可靠性系统 从电动机的电磁结构上看，各相绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个圆形旋转磁场，电动机才能正常运转。 4)高起动转矩，低起动电流 控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。 （SR:0.4IN,1.4T
6、N IM:6-7IN,2-3TN）,SRD特点：,5)适用于频繁起停及正反向转运行 SRD系统具有的高起动转矩，低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还小。 6)可控参数多，调速性能好 控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相开通角,相关断角, 相电流幅值,相绕组电压。,7)效率高，损耗小 SRD系统是一种非常高效的调速系统。 8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求 。 9)缺点：转矩脉动、振动、噪声 但可通过特殊设计克服,SRD特点：,2.1.5 SRD发展概况,7.5 kW 、1500 r/min几种调速系统性能比较,航
7、空工业,家用电器,机械传动,精密伺服系统,电动车,2.1.6 SRD的应用与研究动向,应用,SRD的研究方向,SR电机设计研究： 铁心损耗计算、转矩脉动、噪声、优化设计等理论 SR电机的控制策略研究： 最优控制，减小转矩脉动、降低噪声 具有较高动态性能、算法简单、可抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰的新型控制策略 智能控制策略 SR电机的无位置传感器控制 SR电机的振动、噪声研究 无轴承SR电机研究（磁悬浮） SR电机应用研究：电动车、发电机、一体化电机等,2.2 SR电机基本方程与性能分析,不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m相SR电机系统示意图 J转子与负载的转动惯量 D粘性摩擦系数 TL负
8、载转矩,电路方程,第k相绕组的相电压平衡方程:,磁链方程,所以：,机械运动方程：,式中 Te电磁转矩； J系统的转动惯量； K摩擦系数； TL负载转矩。,电磁转矩：,磁共能的表达式为：,Y-i,SR电机的瞬时电磁转矩Te可由磁共能Wc导出：,SR电机的平均电磁转矩Tav,2.2.2基于理想线性模型的SR电动机分析,线性模型：不计磁路饱和，假定绕组电感与电流无关，此时电感只与转子位置有关,1 0 2 3 0 4 5,SR电机相电感随转子位置变化, = 1位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,1,=0o位置,定子磁极轴线与转子凹槽中心重合,=0o, =2位置,转子磁极前沿与定子磁极
9、前沿相遇位置,2, = 3位置,转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置,rotor,3, =4位置,转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,4, =5位置,rotor,转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置,5,1 0 2 3 0 4 5,=0 定子磁极轴线与转子凹槽中心重合 1(5) 转子凹槽前沿与定子磁极前沿相遇位置 2 转子磁极前沿与定子磁极前沿相遇位置 3 转子磁极前沿与定子磁极前沿重合位置 4 转子凹槽前沿与定子磁极后沿重合位置,SR电机绕组电感的分段线性解析式：,K=(Lmax-Lmin)/(3-2)= (Lmax-Lmin)/s,特征：随定、转子磁极重叠的增加和减少，相电感在Lmax 和Lm
10、in之间线性地变化 。 Lmin为定子磁极轴线对转子凹槽中心时的电感, Lmax定子磁极轴线对转子磁极轴线的电感 。,相电流解析分析,第k相绕组模型,忽略电阻，相绕组电压方程：,所以：,而： =L i,相电流解析分析,同时可以导出：,KT为常数,1) 当12,L=Lmin ,Us为+,因： L=Lmin , Us取+, 则：,又： i(on)=0, 所以，,当12时，,2) 当2off,L=Lmin+K(-2)，Us为+,积分得：,由初始条件： i(2)=Us(2-on)/( Lmin) 确定 C=Uson/，所以,2) 当2 off时,在2off 期间,3) 当off3,L=Lmin+K(-
11、2)，Us为-,4) 当34,L=Lmax，Us为-,5) 当42off- on5,L=Lmax-K(-4)，Us为-,on2 : 在电感上升前开通，迅速建立电流，以获得足够转矩,2 :电感上升，使绕组电流下降,off3 : 在电感达最大之前，绕组关断，绕组续流。,3z4 (z=2off-on) 在电感下降之前，续流结束。否则会产生反向转矩,典型电流波形,不同开通角下电流波形,特点： 开通角越小，电流幅值越大，续流时间越长。,不同关断角下电流波形,变化趋势：结构一定，在on和off不变时，绕组电流随外加电压的增大而增大，随转速的升高而减小；通过调整开关角和关断角也可以影响绕组电流，从而就间接地
12、使电动机的电磁转矩增大。,影响绕组电流的因素：外加电源电压Us、角速度r、开通角on、关断角off、最大电感Lmax、最小电感Lmin、定子极弧s等。,线性模型忽略了许多因素，计算结果误差很大，只能定性地说明影响电流、转矩的因素。,为避免繁琐计算，又近似考虑磁路的饱和效应，常借助准线性模型：将实际非线性磁化曲线分段线性，且不考虑磁耦合,两段线性处理：一段为饱和段，视为与=0的位置的磁化曲线平行,斜率为Lmin；一段为非饱和段，为L(,i)的 不饱和段。,准线性模型分析,准线性模型绕阻电感L(i,):,基于准线性模型，L(i, )是可解析的，可以分别求出绕阻磁链与磁共能的分段解析式，由此得到SR电机的瞬时转矩的分段解析式：,在相电流为理想平顶波的情况下，SR电机平均电磁转矩Tav的解析式,当SR电动机运行在电流值很小的情况下，磁路不饱和，电磁转矩与电流平方成正比；当运行在饱和情况下，电磁转矩与电流的一次方成正比。这个结论可以作为制定控制策略的依据。,1) on 是控制转矩的重要参数：一定时，若开通角on较小，相电流直线上升时间较长，从而增大电流，提高转矩。,2) 在on一定时，增大off,平均转矩也相应增大。但导通角c= off- on有一个最佳值，超过此值， c 增大，平均转矩反而减小。,讨论：,